Investigadores desarrollan catalizador selectivo que frena la corrosión en celdas de combustible para automóviles

Un equipo de investigación dirigido por el profesor Yong-Tae Kim y el candidato a doctorado Sang-Hoon You en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH) ha desarrollado un catalizador selectivo que frena la corrosión en las celdas de combustible utilizadas para los automóviles impulsados ​​por hidrógeno.

Al adaptar la reacción de oxidación del hidrógeno para que coincida con la concentración de hidrógeno en la celda de combustible, el equipo pudo impedir la corrosión de las celdas de combustible. La investigación fue publicada en ACS Energy Letters.

Las pilas de combustible son susceptibles a numerosos factores que deterioran su durabilidad. Uno de ellos es la degradación, especialmente en el catalizador del cátodo, que se expone rutinariamente a los eventos de arranque y apagado de los automóviles. Durante el funcionamiento normal del vehículo, las celdas de combustible reciben un suministro constante de hidrógeno con una alta concentración, pero la concentración de hidrógeno disminuye temporalmente cuando el automóvil se apaga o se enciende. En consecuencia, cuando el aire externo se mezcla con el hidrógeno dentro de las celdas de combustible, se desencadena una reacción de reducción de oxígeno no deseada en el ánodo, lo que provoca saltos repentinos de potencial y corrosión por carbono en el cátodo.

Izquierda. En la imagen, se representa el derrame de hidrógeno, donde el TiO2 se transforma en TiOOH en condiciones de alta concentración de hidrógeno, lo que promueve la movilidad del hidrógeno en la superficie y, en consecuencia, produce conductividad. Bien. La imagen muestra que, en condiciones de concentración de hidrógeno relativamente bajas, la fuerte interacción entre Pt y TiO2 conduce a que el Pt se cubra con TiO2. Crédito: POSTECH

El equipo de investigación diseñó un catalizador (Pt/TiO2), que consiste en platino (Pt) depositado sobre dióxido de titanio (TiO2), que detiene de manera eficiente la corrosión en las celdas de combustible empleadas en los automóviles impulsados ​​por hidrógeno. El rendimiento de este electrocatalizador proviene de la sólida interacción entre el dióxido de titanio y el platino, y la capacidad del derrame de hidrógeno para modificar la conductividad de la superficie del material en respuesta a la concentración de hidrógeno en su vecindad.

Cuando un vehículo se detiene o arranca repentinamente, la concentración de hidrógeno dentro del combustible disminuye de manera correspondiente. Como consecuencia de esta reducción en la concentración de hidrógeno, se produce una expansión del dióxido de titanio sobre el platino, lo que hace que el platino quede enterrado bajo la superficie del catalizador. Este enterramiento del platino, causado por la expansión del dióxido de titanio, finalmente transforma el catalizador en un aislante debido a la baja conductividad del dióxido de titanio.

Este efecto aislante dificulta la capacidad del catalizador para conducir electricidad, evitando así una reducción no deseada de oxígeno que podría causar saltos repentinos de potencial en el cátodo.

Por el contrario, durante el funcionamiento estándar, la concentración de hidrógeno sigue siendo alta. En condiciones de tan alta concentración de hidrógeno, el platino altamente conductivo queda expuesto en la superficie del catalizador y se produce la reducción del dióxido de titanio, lo que promueve la movilidad del hidrógeno en la superficie del catalizador. Este fenómeno, denominado derrame de hidrógeno, mejora el flujo de corriente y aumenta la reacción de oxidación del hidrógeno.

El equipo de investigación también realizó una prueba de simulación para comparar el catalizador recientemente desarrollado y los catalizadores convencionales. Los resultados de las pruebas demostraron que las celdas de combustible que utilizan catalizadores de Pt/TiO2 exhibieron una durabilidad tres veces mayor que las celdas de combustible tradicionales.

Este estudio se realizó con el apoyo del Programa de Descubrimiento de Materiales Futuros, el Proyecto de Desarrollo de Tecnología Innovadora de Energía de Hidrógeno y el Programa de Investigadores de Carrera Media de la Fundación Nacional de Investigación de Corea.

Recursos

Sang-Hoon You, Sang-Mun Jung, Kyu-Su Kim, Jinhyeon Lee, Jinkyu Park, Ho Yeon Jang, Sangyong Shin, Hyunjoo Lee, Seoin Back, Jinwoo Lee y Yong-Tae Kim (2023) "Durabilidad mejorada de la industria automotriz Celdas de combustible a través de la implementación de selectividad por derrame de hidrógeno en la superficie del electrocatalizador" ACS Energy Letters 8 (5), 2201-2213 doi: 10.1021/acsenergylett.2c02656

Publicado el 14 de mayo de 2023 en Catalizadores, Pilas de combustible, Hidrógeno, Antecedentes del mercado | Enlace permanente | Comentarios (0)